Nano-sandwiching forbedrer varmeoverførslen, forhindrer overophedning i nanoelektronikken

Sammenlægning af todimensionelle materialer, der anvendes i nanoelektroniske enheder, mellem deres tredimensionelle siliciumbaser og et ultratyndt lag af aluminiumoxid kan reducere risikoen for komponentfejl på grund af overophedning betydeligt. ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer ledet af forskere ved University of Illinois ved Chicago College of Engineering.

Mange af nutidens silicium-baserede elektroniske komponenter indeholder 2-D materialer såsom grafen. Ved at inkorporere 2D-materialer som grafen - som er sammensat af et enkelt-atom-tykt lag af kulstofatomer - i disse komponenter gør det muligt for dem at være adskillige størrelsesordener mindre, end hvis de var lavet med konventionelle, 3D materialer. Ud over, 2-D materialer muliggør også andre unikke funktionaliteter. Men nanoelektroniske komponenter med 2D-materialer har en akilleshæl - de er tilbøjelige til at overophedes. Dette skyldes dårlig varmeledningsevne fra 2-D materialer til siliciumbasen.

"På området nanoelektronik, den dårlige varmeafledning af 2D-materialer har været en flaskehals for fuldt ud at realisere deres potentiale i at muliggøre fremstilling af stadigt mindre elektronik og samtidig bevare funktionaliteten, " sagde Amin Salehi-Khojin, lektor i maskin- og industriteknik ved UIC's College of Engineering.

En af grundene til, at 2-D-materialer ikke effektivt kan overføre varme til silicium, er, at interaktionerne mellem 2-D-materialerne og silicium i komponenter som transistorer er ret svage.

"Bindninger mellem 2D-materialerne og siliciumsubstratet er ikke særlig stærke, så når varme opbygges i 2-D-materialet, det skaber hot spots, der forårsager overophedning og enhedsfejl, " forklarede Zahra Hemmat, en kandidatstuderende ved UIC College of Engineering og medførsteforfatter af papiret.

For at forbedre forbindelsen mellem 2-D-materialet og siliciumbasen for at forbedre varmeledningsevnen væk fra 2-D-materialet ind i silicium, ingeniører har eksperimenteret med at tilføje et ekstra ultratyndt lag materiale oven på 2-D-laget – i realiteten at skabe en "nano-sandwich" med siliciumbasen og det ultratynde materiale som "brødet".

"Ved at tilføje endnu et 'indkapslende' lag oven på 2-D-materialet, vi har været i stand til at fordoble energioverførslen mellem 2-D-materialet og siliciumbasen, " sagde Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin og hans kolleger skabte en eksperimentel transistor ved hjælp af siliciumoxid til basen, karbid til 2-D-materialet og aluminiumoxid til indkapslingsmaterialet. Ved stuetemperatur, forskerne så, at varmeledningsevnen fra karbiden til siliciumbasen var dobbelt så høj med tilsætning af aluminiumoxidlaget i forhold til uden.

"Mens vores transistor er en eksperimentel model, det beviser, at ved at tilføje en yderligere, indkapslende lag til disse 2-D nanoelektronik, vi kan øge varmeoverførslen til siliciumbasen markant, hvilket vil gå langt i retning af at bevare funktionaliteten af ​​disse komponenter ved at reducere sandsynligheden for, at de brænder ud, " sagde Salehi-Khojin. "Vores næste skridt vil omfatte afprøvning af forskellige indkapslingslag for at se, om vi kan forbedre varmeoverførslen yderligere."